KR101801168B1 - Three-dimensional calibrator for measuring of 3D alignment error and method for measuring of 3D alignment error using thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단면이 다층 형성되면서, 각 층에는 다수의 홀이 일정 간격으로 배치되어 구성되는 입체형 캘리브레이터와, 이 입체형 캘리브레이터에 형성된 홀의 중심선과 상면이 만나는 3차원 좌표점에 대한 회전행렬과 이동벡터를 산출하여 해당 장치에 대한 3차원 정렬 오차값을 신속하고 용이하게 산출할 수 있도록 해 주는 입체형 캘리브레이터를 이용한 3차원 정렬 오차 산출 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 3차원 정렬 오차 측정용 입체형 캘리브레이터는 단면이 다층으로 구성되는 입체판상에 다수의 홀이 형성되도록 구성되되, 상기 입체판은 제1 직경의 제1 원형판상에 제1 직경보다 작은 제2 직경의 제2 원형판이 일체로 결합된 형태로 구성되고, 상기 입체판에는 상기 입체판의 중심점으로부터 일정 거리 이격되는 위치에 일정 수의 홀이 이격 배치되는 홀 띠가 상기 중심점으로부터의 서로 다른 거리를 갖도록 다수 형성되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 입체형 캘리브레이터를 이용한 3차원 정렬 오차 산출방법은 영상처리단말에서 내부에 구비된 카메라를 통해 입체형 캘리브레이터에 대한 3차원 회전영상을 획득하는 제1 단계와, 영상처리단말에서 카메라 위치를 기준으로 하는 3D 좌표계의 원점으로부터 최단거리에 있는 입체형 캘리브레이터가 배치된 회전판 스테이지의 회전축상의 점을 회전축을 기준으로 하는 S 좌표계의 원점으로 설정하는 제2 단계, 영상처리단말에서 3D 좌표계의 원점을 S 좌표계의 X축상에 위치되도록 설정하는 제3 단계, 영상처리단말에서 입체형 캘리브레이터를 기준으로 하는 홀의 좌표를 3D 좌표계 기준으로 변환하는 3D 오차 행렬을 산출하는 제4 단계, 영상처리단말에서 상기 제1 단계에서 획득한 회전영상으로부터 입체형 캘리브레이터의 각 홀 중심에 대하여 X축 및 Z축 좌표값 및 회전각도를 획득하는 제5 단계, 영상처리단말에서 상기 제5 단계로부터 획득한 각 홀에 대한 3D 좌표계 기준의 X축 및 Z축 좌표값과 회전각도 및, 이에 대응되는 W좌표계 기준의 홀 좌표값을 근거로 최종 3D 오차 행렬을 산출하는 제6 단계 및, 영상처리단말에서 최종 3D 오차 행렬을 근거로 3D 정렬 오차값을 산출하는 제7 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a stereoscopic calibrator having a three-dimensional calibrator in which a plurality of holes are formed in a plurality of sections with a plurality of sections formed at regular intervals and a rotation matrix and a movement vector for a three-dimensional coordinate point where a center line and an upper surface of the hole formed in the three- Dimensional alignment error by using a stereoscopic calibrator which can calculate a three-dimensional alignment error value for the device quickly and easily.
The three-dimensional calibrator for three-dimensional alignment error measurement according to the present invention is configured such that a plurality of holes are formed on a three-dimensional plate having a multi-layered cross-section, wherein the three-dimensional plate is formed on a first circular plate having a first diameter, And a second ring plate having a diameter of 2 mm is integrally connected to the three-dimensional plate, wherein a hole band spaced apart from the center point of the three-dimensional plate by a predetermined number of holes is spaced apart from the center point by a distance And a plurality of light emitting diodes are formed.
A three-dimensional alignment error calculation method using a three-dimensional calibrator according to the present invention includes a first step of acquiring a three-dimensional rotation image of a three-dimensional calibrator through a camera provided in an image processing terminal, A second step of setting a point on the rotation axis of the rotary plate stage on which the stereoscopic calibrator is located at the shortest distance from the origin of the 3D coordinate system as a reference to the origin of the S coordinate system with reference to the rotation axis; A fourth step of calculating a 3D error matrix for converting coordinates of the hole based on the stereoscopic calibrator on the basis of the 3D coordinate system in the image processing terminal to a position on the X axis of the coordinate system, To the center of each hole of the stereoscopic calibrator A fifth step of obtaining the X-axis and Z-axis coordinate values and the rotation angle, the X-axis and Z-axis coordinate values and the rotation angle of the 3D coordinate system for each hole obtained from the fifth step in the image processing terminal, A sixth step of calculating a final 3D error matrix based on the corresponding hole coordinate value based on the W coordinate system, and a seventh step of calculating a 3D alignment error value based on the final 3D error matrix in the image processing terminal .
Description
본 발명은 단면이 다층 형성되면서, 각 층에는 다수의 홀이 일정 간격으로 배치되어 구성되는 3차원 정렬 오차 측정용 입체형 캘리브레이터와, 이 입체형 캘리브레이터에 형성된 홀의 중심선과 상면이 만나는 3차원 좌표점에 대한 회전행렬과 이동벡터를 산출하여 해당 장치에 대한 3차원 정렬 오차값을 신속하고 용이하게 산출할 수 있도록 해 주는 3차원 정렬 오차 산출을 위한 입체형 캘리브레이터를 이용한 3차원 정렬 오차 산출 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a three-dimensional calibrator for measuring a three-dimensional alignment error in which a plurality of holes are arranged at regular intervals in a multilayered cross-section, and a three-dimensional calibrator for measuring a three- Dimensional alignment error using a three-dimensional calibrator for calculating a three-dimensional alignment error, which enables a quick and easy calculation of a three-dimensional alignment error value for a corresponding device by calculating a rotation matrix and a movement vector.
일반적으로 3차원 형상을 가진 스캔 대상물체에 대한 3차원 데이터를 획득하는 방법은 기계적인 메카니즘을 이용하여 3차원 좌표점을 접촉식으로 디지타이징(digitizing)하는 방법이 있으나, 일반적으로는 피사체에 레이저를Generally, a method of acquiring three-dimensional data of a scan object having a three-dimensional shape includes a method of digitizing a three-dimensional coordinate point by a mechanical method using a touching method,
주사하여 3차원 이미지를 획득하는 광학식 방법인 광삼각법이 잘 알려져 있다.Optical triangulation, an optical method of obtaining a three-dimensional image by scanning, is well known.
상기한 광삼각법을 이용한 3차원 스캐너는, 일반적으로 피사체에 쉬트빔 형태의 레이저 라인을 주사(조사)하고, 이를 일정각을 유지하며 고속영상카메라로 촬영하는 센서헤드와, 상기 센서 헤드로부터 카메라의 영상을 입력받아 영상해석을 통하여 3차원 데이터를 생성하는 이미지 처리부를 구비한다.The three-dimensional scanner using the photo-trigonometry generally includes a sensor head that scans (irradiates) a laser beam in the form of a sheet beam to a subject and maintains the laser beam at a constant angle and captures the image with a high-speed image camera, And an image processing unit for receiving the image and generating three-dimensional data through image analysis.
이때, 3차원 스캐너에서 3차원 데이터를 생성하기 위해서는 정확한 거리 데이터가 산출되어야 한다. 이에, 3차원 스캐너에는 거리 정보를 포함하는 3차원 영상을 제공하는 3D 카메라가 구비된다.At this time, accurate distance data must be calculated in order to generate three-dimensional data in a three-dimensional scanner. Accordingly, the 3D scanner is provided with a 3D camera that provides a three-dimensional image including distance information.
그러나, 3D 카메라가 구비되는 3차원 스캐너 장착에 따른 오차 및 3D 카메라자체의 오프셋 값 등에 의한 오차 등이 발생할 수 있다.However, an error due to the mounting of the 3D scanner equipped with the 3D camera and an error due to the offset value of the 3D camera itself may occur.
이에, 3차원 스캐너에서 대상 물체에 대한 3차원 이미지를 획득하기 이전에 3D 카메라에 대한 정렬오차를 미리 산출하고, 이를 근거로 3차원 이미지에 오차에 대응되는 보정값을 적용함으로써, 보다 정확한 3차원 이미지를 얻는 방법이 이용되고 있다.Accordingly, before obtaining the three-dimensional image of the object in the three-dimensional scanner, the alignment error for the 3D camera is calculated in advance, and a correcting value corresponding to the error is applied to the three- A method of obtaining an image is used.
한편, 3차원 정렬 오차를 산출하는 방법으로는 통상적으로 체스보드 무늬를 갖는 평면으로 이루어지는 캘리브레이터를 촬영하고, 캘리브레이터에 대한 2차원 촬영영상으로부터 3차원 오차값을 수학적으로 산출하는 방법이 이용되고 있다.On the other hand, as a method of calculating a three-dimensional alignment error, a method of photographing a calibrator made of a plane having a chessboard pattern and mathematically calculating a three-dimensional error value from a two-dimensional photographed image of the calibrator is used.
그러나, 체스보드 무늬를 갖는 캘리브레이터에 대한 2차원 좌표값을 이용하여 3차원 좌표값을 산출하기에는 그 수학적 알고리즘이 복잡하여 많은 오차 산출 시간이 소요되는 단점이 있다.However, in order to calculate the three-dimensional coordinate values using the two-dimensional coordinate values of the calibrator having the chessboard pattern, the mathematical algorithms are complicated and require a large error calculation time.
또한, 상기 2차원의 체스보드 무늬를 갖는 캘리브레이터를 이용하여 3D 카메라를 구비하는 3D 스캐너에 적용함에 있어서는 거리값에 대응되는 좌표값이 얻어지지 않기 때문에 3차원 오차값 산출이 불가능하다는 단점이 있다. In addition, when applying to a 3D scanner equipped with a 3D camera using a calibrator having a two-dimensional chessboard pattern, coordinate values corresponding to distance values can not be obtained, so that it is impossible to calculate a three-dimensional error value.
이에, 본 발명은 단면이 다층 형성되면서, 각 층에는 다수의 홀이 일정 간격으로 배치되어 구성되는 3차원 정렬 오차 산출을 위한 입체형 캘리브레이터와, 이 입체형 캘리브레이터에 형성된 홀의 중심선과 상면이 만나는 3차원 좌표점에 대한 회전행렬과 이동벡터를 산출하여 해당 장치에 대한 3차원 정렬 오차값을 신속하고 용이하게 산출할 수 있도록 해 주는 입체형 캘리브레이터를 이용한 3차원 정렬 오차 산출 방법을 제공함에 그 기술적 목적이 있다. Accordingly, the present invention provides a three-dimensional calibrator for three-dimensional alignment error calculation in which a plurality of sections are formed in multiple layers and a plurality of holes are arranged at regular intervals in each layer, Dimensional alignment error using a three-dimensional calibrator which can calculate a three-dimensional alignment error value for a corresponding device by calculating a rotation matrix and a motion vector for a point.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 회전 스테이지상에 장착되어 입체형 캘리브레이터에 대한 회전 영상을 영상처리단말로 제공함으로써, 영상처리단말에서 입체형 캘리브레이터 회전 영상으로부터 획득되는 홀에 대한 3차원 좌표값을 근거로 카메라의 3차원 정렬오차를 산출하도록 해 주는 3차원 정렬 오차 측정용 입체형 캘리브레이터로서, 단면이 다층으로 구성되는 일정 두께를 갖는 입체판상에 다수의 홀이 형성되도록 구성되되, 상기 입체판은 제1 직경의 제1 원형판상에 제1 직경보다 작은 제2 직경의 제2 원형판이 일체로 결합된 형태로 구성되고, 상기 입체판에는 상기 입체판의 중심점으로부터 일정 거리 이격되는 위치에 일정 수의 홀이 이격 배치되는 홀 띠가 상기 중심점으로부터 서로 다른 거리를 갖도록 다수 형성되어 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 정렬 오차 측정용 입체형 캘리브레이터가 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a stereoscopic calibrator, which is mounted on a rotating stage and provides a rotation image for the stereoscopic calibrator to an image processing terminal, A three-dimensional calibrator for measuring a three-dimensional alignment error, which calculates a three-dimensional alignment error of a camera on the basis of coordinate values, comprising: a plurality of holes formed on a three-dimensional plate having a predetermined thickness, Wherein the plate is formed by integrally joining a first circular plate of a first diameter and a second circular plate of a second diameter smaller than the first diameter integrally with each other, A plurality of hole bands spaced apart from each other are formed so as to have different distances from the center point Dimensional calibrated error measurement is provided.
또한, 상기 입체판에는 제1 내지 제3 홀 띠가 형성되도록 구성되고, 상기 입체판의 각 층에는 제1 내지 제3 홀 띠 중 적어도 하나 이상의 홀 띠가 형성되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 정렬 오차 측정용 입체형 캘리브레이터가 제공된다.The stereoscopic plate is configured to form first through third hole bands, and at least one of the first through third hole bands is formed in each layer of the stereoscopic plate. A stereoscopic calibrator for alignment error measurement is provided.
또한, 상기 서로 다른 홀띠의 홀은 입체판의 중심점을 기준으로 일직선 연장선상에 배치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 정렬 오차 측정용 입체형 캘리브레이터가 제공된다.The three-dimensional calibrator for three-dimensional alignment error measurement is characterized in that the holes of the different holes are arranged on straight extension lines with respect to the center point of the three-dimensional plate.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또다른 일측면에 따르면, 단면이 다층으로 구성되면서, 각 층에는 다수의 홀이 형성되어 구성되는 입체형 캘리브레이터를 구비하여 구성됨과 더불어, 영상처리단말에서 상기 입체형 캘리브레이터에 대한 촬영 영상을 이용하여 영상처리단말 내에 구비되는 카메라의 3D 정렬오차를 산출하는 입체형 캘리브레이터를 이용한 3차원 정렬 오차 산출 방법에 있어서, 영상처리단말에서 내부에 구비된 카메라를 통해 입체형 캘리브레이터에 대한 3차원 회전영상을 획득하는 제1 단계와, 영상처리단말에서 카메라 위치를 기준으로 하는 3D 좌표계의 원점으로부터 최단거리에 있는 입체형 캘리브레이터가 배치된 회전판 스테이지의 회전축상의 점을 회전축을 기준으로 하는 S 좌표계의 원점으로 설정하는 제2 단계, 영상처리단말에서 3D 좌표계의 원점을 S 좌표계의 X축상에 위치되도록 설정하는 제3 단계, 영상처리단말에서 입체형 캘리브레이터를 기준으로 하는 홀의 좌표를 3D 좌표계 기준으로 변환하는 3D 오차 행렬을 산출하는 제4 단계, 영상처리단말에서 상기 제1 단계에서 획득한 회전영상으로부터 입체형 캘리브레이터의 각 홀 중심에 대하여 X축 및 Z축 좌표값 및 회전각도를 획득하는 제5 단계, 영상처리단말에서 상기 제5 단계로부터 획득한 각 홀에 대한 3D 좌표계 기준의 X축 및 Z축 좌표값과 회전각도 및, 입체형 캘리브레이터 중심점을 기준으로 하는 W좌표계 기준의 홀 좌표값을 근거로 최종 3D 오차 행렬을 산출하는 제6 단계 및, 영상처리단말에서 최종 3D 오차 행렬을 근거로 3D 정렬 오차값을 산출하는 제7 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 입체형 캘리브레이터를 이용한 3차원 정렬 오차 산출방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a stereoscopic calibrator comprising: a stereoscopic calibrator having a plurality of cross-sections and a plurality of holes formed in each layer, A method for calculating a three-dimensional alignment error using a stereoscopic calibrator for calculating a 3D alignment error of a camera provided in an image processing terminal using a captured image of a stereoscopic calibrator, the method comprising: Dimensional coordinate system based on the camera position in the image processing terminal, a point on the rotation axis of the rotation stage on which the three-dimensional calibrator is located at the shortest distance from the origin of the 3D coordinate system, To the origin of the coordinate system, A third step of setting the origin of the 3D coordinate system to be located on the X-axis of the S-coordinate system at the processing terminal, a fourth step of calculating a 3D error matrix for converting the coordinates of the hole based on the stereoscopic- A fifth step of acquiring X-axis and Z-axis coordinate values and a rotation angle with respect to each hole center of the stereoscopic calibrator from the rotation image acquired in the first step at the image processing terminal, A sixth step of calculating a final 3D error matrix based on the coordinate values of the X and Z axes based on the 3D coordinate system for each of the holes and the coordinate values of the H coordinates based on the W coordinate system based on the rotation angle and the cubic calibrator center point, And a seventh step of calculating a 3D alignment error value based on the final 3D error matrix at the image processing terminal. A method for calculating a three-dimensional alignment error using a calibrator is provided.
또한, 상기 홀의 좌표값은 홀의 중앙 수직 중심선과 입체판의 상면 수평선이 만나는 특정점 좌표값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 입체형 캘리브레이터를 이용한 3차원 정렬 오차 산출방법이 제공된다.Also, the coordinate value of the hole is set to a specific point coordinate value at which the center vertical center line of the hole meets the horizontal line of the top surface of the stereolithography plate. A three-dimensional alignment error calculating method using the stereoscopic calibrator is provided.
또한, 상기 제4 단계에서 3D 오차 행렬은 회전관련 행렬(R)과 이동벡터 성분(t)으로 이루어지고, 하기 수학식과 같이 설정되는 것을 특징으로 하는 입체형 캘리브레이터를 이용한 3차원 정렬 오차 산출방법이 제공된다. 여기서, R은 회전관련 행렬로, 는 S 좌표계를 기준으로 3D 좌표계에서의 회전 행렬이고, 는 SO 좌표계(회전축 초기상태 좌표계)를 기준으로 W 좌표계에서의 회전 행렬이며, t는 이동벡터 성분으로 는 S 좌표계 원점에서 3D 좌표계의 원점까지의 이동행렬이고, 는 S0 좌표계 원점에서 W좌표계 원점까지의 이동행렬이며, Xw 는 W 좌표계를 기준으로 정의된 홀 좌표값 임.In the fourth step, the 3D error matrix is composed of a rotation-related matrix R and a motion vector component t, and is set according to the following equation: < EMI ID = do. Here, R denotes a rotation-related matrix, Is a rotation matrix in the 3D coordinate system with respect to the S coordinate system, Is a rotation matrix in the W coordinate system based on the S O coordinate system (initial state coordinate system of the rotation axis), t is a motion vector component Is the movement matrix from the origin of the S-coordinate system to the origin of the 3D coordinate system, Is the movement matrix from the origin of the S 0 coordinate system to the origin of the W coordinate system, and Xw is the hole coordinate value defined based on the W coordinate system.
또한, 3D 좌표계의 임의 점에 대한 벡터성분이 (X,Y,Z,1)이고, W 좌표계의 임의 점에 대한 벡터성분이 (x,y,z,1)이라 할 때, 상기 3D 오차 행렬(X3D)은 하기의 수학식과 같은 행렬 형태로 변환되고, 3D 좌표계에서의 좌표값[X,Y,Z,1}은 하기 수학식과 같이 변환되며, 상기 제7 단계에서 상기 영상처리단말은 각 홀에 대해 하기의 수학식 결과값이 최소가 될때의 변수값을 산출하는 것을 특징으로 하는 입체형 캘리브레이터를 이용한 3차원 정렬 오차 산출방법이 제공된다. 여기서, i 는 홀의 수에 대응되는 수로 설정되고, 상기 γ11,γ12, ...γ33 은 3×3 형태의 행렬로 표현되는 회전 관련 행렬에 대응되는 성분값이며, t1,t2,t3 는 3×1 형태의 벡터로 표현되는 이동벡터 관련 벡터에 대응되는 성분값임.When the vector component for any point in the 3D coordinate system is (X, Y, Z, 1) and the vector component for any point in the W coordinate system is (x, y, z, 1), the 3D error matrix (X 3D ) is transformed into a matrix form as shown in the following equation, The coordinate values [X, Y, Z, 1} in the 3D coordinate system are transformed as shown in the following equation, In the seventh step, the image processing terminal calculates a variable value when a result of the following equation is minimized for each hole, and a three-dimensional alignment error calculating method using the stereoscopic calibrator is provided. Here, i is set to a number corresponding to the number of holes, and 粒 11, 粒 12, ..., 粒 33 are component values corresponding to a rotation-related matrix expressed by a 3x3 matrix, and t1, t2, A component value corresponding to a motion vector-related vector represented by a vector of one form.
본 발명에 의하면 입체형 캘리브레이터에 대한 촬영영상에서 획득되는 3차원 특징점 좌표값을 이용하여 3차원 정렬 오차값을 신속하고 용이하게 산출할 수 있게 된다.According to the present invention, it is possible to quickly and easily calculate a three-dimensional alignment error value using the three-dimensional minutiae coordinate values obtained from the photographed image of the three-dimensional calibrator.
따라서, 3차원 스캐너에서 3차원 형상을 가진 스캔 대상물체에 대한 3차원 데이터를 보다 신속하고 정확하게 획득하는 것이 가능하다. Therefore, it is possible to acquire the three-dimensional data of the object to be scanned having the three-dimensional shape more quickly and accurately in the three-dimensional scanner.
도1은 본 발명이 적용되는 입체형 캘리브레이터를 이용한 3차원 정렬 오차 캘리브레이션 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면.
도2는 도1에 도시된 입체형 캘리브레이터(100)의 구조를 예시한 도면.
도3은 본 발명에 따른 입체형 캘리브레이터를 이용한 3차원 정렬 오차 산출방법을 설명하기 위한 흐름도.
도4는 도3에서 기준 좌표계 설정 방법을 설명하기 위한 도면.
도5는 도3에서 회전행렬(R) 설정 방법을 설명하기 위한 도면.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a schematic view of a three-dimensional alignment error calibration apparatus using a three-dimensional calibrator to which the present invention is applied; Fig.
Figure 2 illustrates the structure of the
3 is a flowchart illustrating a three-dimensional alignment error calculation method using the stereoscopic calibrator according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram for explaining a reference coordinate system setting method in FIG. 3; FIG.
FIG. 5 is a diagram for explaining a method of setting a rotation matrix R in FIG. 3; FIG.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 한편, 이에 앞서 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings. It is to be noted that like elements in the drawings are denoted by the same reference numerals whenever possible. It should be understood, however, that the terminology or words of the present specification and claims should not be construed in an ordinary sense or in a dictionary, and that the inventors shall not be limited to the concept of a term It should be construed in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be properly defined. Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention, and not all of the technical ideas of the present invention are described. Therefore, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.
도1은 본 발명이 적용되는 입체형 캘리브레이터를 이용한 3차원 정렬 오차 캘리브레이션 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a three-dimensional alignment error calibration apparatus using a three-dimensional calibrator to which the present invention is applied.
도1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 입체형 캘리브레이터를 이용한 3차원 정렬 오차 캘리브레이션 장치는 입체형 캘리브레이터(100)와, 영상처리단말(200)을 포함하여 구성된다. 이때, 상기 영상처리단말(200)은 3차원 영상정보를 획득하기 위한 각종 형태의 단말로서, 3차원 스캐너 등이 될 수 있다. As shown in FIG. 1, the apparatus for calibrating a three-dimensional alignment error using a three-dimensional calibrator according to the present invention includes a three-
상기 입체형 캘리브레이터(100)는 단면이 다층으로 구성되는 판상에 다수의 홀이 형성된 형태로 구성된다. The three-
도2는 상기 입체형 캘리브레이터(100)의 구조를 예시한 도면으로, (A)는 입체형 캘리브레이터(100)의 평면도이고, (B)는 입체형 캘리브레이터(100)의 사시도, (C)는 입체형 캘리브레이터(100)의 정면도이다. FIG. 2 is a plan view of the three-
도2에 도시된 바와 같이 입체형 캘리브레이터(100)는 단면이 서로 다른 두께를 갖는 다층의 입체판, 보다 상세하게는 원형판(110)상에 홀(120)이 다수 배치되어 구성된다. 이때, 상기 원형판(110)은 제1 직경을 갖는 제1 원형판(111)과, 이 제1 원형판(111)의 상면 중앙부분에 제1 원형판(111) 보다 작은 제2 직경의 제2 원형판(112)이 일체로 결합되어 구성된다. As shown in FIG. 2, the three-
또한, 도2에서 제1 및 제2 원형판(111, 112)의 중심점(O)으로부터 일정 반경을 갖는 위치에 일정 거리 이격 되게 다수의 홀(120)이 배치되어 원형의 홀 띠를 형성하되, 상기 홀 띠는 중심점(O)으로부터의 서로 다른 반경을 갖는 다수, 예컨대, 제1 내지 제3 홀 띠를 형성하도록 구성된다. 이때, 제1 내지 제3 홀 띠를 형성하는 홀(120)의 수는 동일하게 설정된다. 도2에는 하나의 홀 띠는 8개의 홀(120)로 이루어지도록 도시되어 있으나, 각 홀 띠는 적어도 4개 이상의 홀(120)로 이루어지는 것이 가능하며, 홀(120)의 수가 많아질수록 보다 정밀한 오차 측정이 가능하나, 원형판(110)의 크기 및 홀 간의 간격에 따른 가공환경을 고려하여 적절하게 설정되는 것이 바람직하다. 2, a plurality of
또한, 상기 다수의 홀 띠에 배치되는 홀(120)은 원형판(110)의 중심점(O)으로부터 일직선 형태의 연장선상에 위치되도록 순차 형성된다. In addition, the
한편, 도1에서 영상처리단말(200)은 기본적으로 카메라(210) 및, 영상처리부(220)를 포함하여 구성된다. 즉, 상기 영상처리단말(200)은 카메라(210)를 통해 상기 입체형 캘리브레이터(100)를 촬영하여 촬영영상을 획득하고, 상기 영상처리부(220)는 입체형 캘리브레이터 촬영영상을 분석하여 카메라(210)에 대한 3D 정렬 오차를 산출한다. 이때, 상기 카메라(210)는 3D 카메라가 될 수 있다. 상기 영상처리부(220)에서 수행되는 3D 카메라 정렬 오차 산출과정은 이하의 동작설명에서 보다 상세히 설명한다.1, the
도3은 본 발명에 따른 입체형 캘리브레이터를 이용한 3차원 정렬 오차 산출방법을 설명하기 위한 흐름도이다. FIG. 3 is a flowchart illustrating a method of calculating a three-dimensional alignment error using the stereoscopic type calibrator according to the present invention.
먼저, 도2에 도시된 바와 같은 구조의 입체형 캘리브레이터(100)가 회전 스테이지(미도시) 상에 장착되고, 이 입체형 캘리브레이터(100)와 일정 간격 이격된 위치에 영상처리단말(200)을 배치한다. First, a
상기한 상태에서, 입체형 캘리브레이터(100)가 장착된 회전 스테이지가 회전 구동하고, 영상처리단말(200)은 카메라(210)를 통해 입체형 캘리브레이터(100)를 촬영함으로써, 입체형 캘리브레이터(100)에 대한 회전 영상을 획득한다(ST10). In the above-described state, the rotary stage equipped with the three-
이어, 영상처리단말(200)은 내부에 구비된 카메라(210)에 대한 정렬 오차 보정을 위한 기준 좌표계를 설정한다(ST20). 이때, 상기 영상처리단말(200)은 도4에 도시된 바와 같이 3D 좌표계(이하 "3D 좌표계" 라 칭함)와, 입체형 캘리브레이터 좌표계(이하, "W 좌표계"라 칭함), 회전축 초기상태 좌표계(이하 "S0 좌표계"라 칭함) 및, 회전축 좌표계(이하 "S 좌표계"라 칭함)를 설정한다. 여기서, 3D 좌표계는 영상처리단말(200) 내에 구비되는 카메라(210) 위치에 대응되는 공간상의 좌표계이고, S0 좌표계는 회전 스테이지의 회전축 초기 좌표계로서 미리 고정 설정된다.Next, the
또한, 영상처리단말(200)은 상기한 바와 같이 정의된 좌표계를 근거로 입체형 캘리브레이터(100)에 적용할 회전행렬(R)과 이동벡터(t)를 설정한다(ST30). 3D 정렬 오차 보정을 위해서는 회전행렬(R)과 이동벡터(t)를 산출하여야 한다. 이에, 본 발명자는 도5 (X)에서 임의 A 좌표계 기준으로 B 좌표계에서의 자세에 대한 회전행렬( )을 수학식 1과 같이 정의하고, 이동벡터()는 수학식2와 같이 정의하였다.The
여기서, l은 A좌표계 기준으로 기술한 B좌표계에서의 x축 벡터이고, m은 A좌표계 기준으로 기술한 B좌표계에서의 y축 벡터이며, n은 A좌표계 기준으로 기술한 B좌표계에서의 z축 벡터이다. 이하 본 명세서에 기술하는 회전 행렬(R) 및 이동 벡터(t) 관련 첨자의 위치는 상기한 바와 같은 정의에 의해 설정하였다. Where l is the x-axis vector in the B-coordinate system described on the A-coordinate system basis, m is the y-axis vector in the B-coordinate system described on the A-coordinate system basis, and n is the y- It is a vector. The positions of subscripts related to the rotation matrix R and the motion vector t described in the present specification are set as described above.
여기서, 이동벡터()는 A 좌표계 기준으로 A 좌표계 원점에서 B 좌표계 원점으로의 벡터이다.Here, the motion vector ( ) Is a vector from the origin of the A coordinate system to the origin of the B coordinate system based on the A coordinate system.
또한, 상기 회전행렬()은 오일러 각(α,β,γ)으로 생성된 회전행렬(R)로 표현하면 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다. 이때, 상기 α,β,γ는 각각 x,y,z축의 회전각을 나타낸다.Further, the rotation matrix ( ) Can be represented by a rotation matrix R generated by Euler angles (?,?,?) As shown in Equation (3). Here,?,?, And? Represent the rotation angles of the x, y, and z axes, respectively.
상기한 바와 같이 회전행렬(R)과, 이동벡터(t)가 상기 수학식1 내지 수학식 3과 같이 정의된 상태에서, 영상처리단말(200)은 도5의 (Y)에 도시된 바와 같이, 3D 좌표계 원점에서 최단거리에 있는 입체형 캘리브레이터가 배치된 회전판 스테이지의 회전축상의 점을 S좌표계의 원점으로 설정한다(ST40). 이때, 3D 좌표계 기준으로 정의된 임의의 점(x3D)을 S 좌표계 기준으로 변환하면 수학식4와 같이 점(xS)로 변환된다.As described above, in a state where the rotation matrix R and the motion vector t are defined as in Equations (1) to (3), the
또한, xs0 는 수학식 5와 같이 표현될 수 있다. Also, x s0 can be expressed by Equation (5).
이어, 상기 영상처리단말(200)은 3D 좌표계의 원점을 S좌표계의 X축상에 위치되도록 설정한다(ST50). 즉, 이동벡터()는 S 좌표계 기준으로 S 좌표계 원점에서 3D 좌표계 원점까지의 벡터이며, 수학식6과 같이 정의될 수 있다.Then, the
또한, 상기 영상처리단말(200)은 입체형 캘리브레이터(100)를 기준으로 정의된 홀(120)의 좌표를 3D 좌표계 기준으로 좌표를 변환하는 3D 오차 행렬을 산출한다(ST60). 즉, 수학식 4 및 수학식5로부터 변환하는 관계식은 수학식 7와 같이 정의된다. The
여기서, R은 회전관련 행렬로, 는 S 좌표계를 기준으로 3D 좌표계에서의 회전 행렬이고, 는 SO좌표계(회전축 초기상태 좌표계)를 기준으로 W 좌표계에서의 회전 행렬이며, t는 이동벡터 성분으로 는 S 좌표계 원점에서 3D 좌표계의 원점까지의 이동행렬이고, 는 S0 좌표계 원점에서 W좌표계 원점까지의 이동행렬이다.Here, R denotes a rotation-related matrix, Is a rotation matrix in the 3D coordinate system with respect to the S coordinate system, Is a rotation matrix in the W coordinate system based on the S O coordinate system (initial state coordinate system of the rotation axis), t is a motion vector component Is the movement matrix from the origin of the S-coordinate system to the origin of the 3D coordinate system, Is a movement matrix from the origin of the S 0 coordinate system to the origin of the W coordinate system.
이때, 상기 수학식7에서 회전 관련 행렬(, R, )은 3×3 행렬 형태로 표현되고, 이동벡터 관련 행렬(, )은 3×1 벡터 형태로 표현된다. 여기서, "T"는 전치행렬(transpose)을 의미한다. In this case, the rotation related matrix ( , R, ) Are expressed in the form of a 3x3 matrix, and a motion vector-related matrix ( , ) Is expressed in the form of a 3x1 vector. Here, "T" means transpose.
따라서, 입체형 캘리브레이터(100) 특징점 좌표값을 3D 좌표계 기준으로 변환하는 관계식은 수학식 8과 같이 표현될 수 있다. 이때, 상기 변환하는 관계식은 각 홀(120)의 특징점에 대해 3D 좌표계 기준으로 (X,Y,Z,1)의 좌표값(X3D)을 갖고, 입체형 캘리브레이터(100) 좌표계(W 좌표계) 기준의 특징점 좌표값(Xw)은 (x,y,z,1)으로 설정될 수 있는 바, 수학식 8과 같이 4×4 형태의 3D 오차 행렬로 표현될 수 있다. Therefore, the relational expression for converting the
여기서, γ11,γ12, ...γ33 은 3×3 형태의 행렬로 표현되는 회전 관련 행렬에 대응되는 성분값이고, t1,t2,t3 는 3×1 형태의 벡터로 표현되는 이동 관련 벡터에 대응되는 성분값이다. Here,? 11,? 12, ...,? 33 are component values corresponding to a rotation-related matrix expressed by a 3x3 matrix, and t1, t2, and t3 correspond to movement related vectors expressed by a 3x1 vector Lt; / RTI >
이어, 영상처리단말(200)은 상기 ST10 단계에서 카메라(210)를 통해 촬영된 입체형 캘리브레이터(100)에 대한 회전 영상으로부터 특징점 영상을 획득한다(ST70). 이때, 특징점은 입체형 캘리브레이터(100)의 홀(120)의 중앙의 수직 중심선과 원형판의 상면 수평선이 만나는 점으로 설정되며, 3D 좌표계의 xz 평면에 특징점이 위치하는 영상이 특징점 영상이 된다. 이에 따라, 특징점 영상에 대한 3D 좌표계 기준의 좌표값(X,Y,Z,1)은 수학식8로부터 수학식 9와 같이 표현될 수 있다. Then, the
그리고, 상기 영상처리단말(200)은 특징점 영상에서 각 홀(120) 중심에 대해 X축과 Z축 좌표값 및 회전 각도를 획득한다(ST80). 이때 획득한 X축과 Z축 좌표값에 대응되는 Y축 좌표값은 "0"이 된다. Then, the
이어, 상기 영상처리단말(200)은 상기 ST80 단계에서 획득한 각 홀(120)에 대한 3D 좌표계 기준의 X축 및 Z축 좌표값과 회전 각도 및, 이에 대응되는 W 좌표계 기준의 홀 좌표값을 이용하여 입체형 캘리브레이터의 실제 측정값에 대응되는 최종 3D 오차 행렬을 산출한다(ST90). 이때, 상기 영상처리단말(200)은 하기 수학식 10 을 만족하는 값 중 최소값 예컨대, "0"값을 만족하는 최종 3D 오차 행렬을 산출한다. Then, the
여기서, i는 홀(120)의 인덱스 번호로서, 홀(120)에 수에 대응되게 설정된다. Here, i is an index number of the
즉, 상기 영상처리단말(200)은 비선형 최소자승법을 이용하여 상기 수학식10 이 최소가 될 때의 변수값을 최종 3D 오차 행렬(γ11,γ12, ...γ33, t1,t2,t3)로 설정한다.That is, the
이어, 상기 영상처리단말(200)은 상기 ST90 단계에서 산출된 최종 3D 오차 행렬을 이용하여 회전행렬()과 이동벡터()를 포함하는 3D 정렬오차값을 산출한다(ST100). Then, the
100 : 입체형 캘리브레이터, 110 : 원형판,
120 : 홀,
200 : 영상처리단말, 210 : 카메라,
220 : 영상처리부. 100: cubic calibrator, 110: circular plate,
120: Hall,
200: image processing terminal, 210: camera,
220: image processing unit.
Claims (7)
단면이 다층으로 구성되는 일정 두께를 갖는 입체판상에 다수의 홀이 형성되도록 구성되되,
상기 입체판은 제1 직경의 제1 원형판상에 제1 직경보다 작은 제2 직경의 제2 원형판이 일체로 결합된 형태로 구성되고,
상기 입체판에는 상기 입체판의 중심점으로부터 일정 거리 이격되는 위치에 일정 수의 홀이 이격 배치되는 홀 띠가 상기 중심점으로부터 서로 다른 거리를 갖도록 다수 형성되어 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 정렬 오차 측정용 입체형 캘리브레이터.
The image processing terminal is provided with a rotation image for the stereoscopic calibrator mounted on the rotation stage, and the image processing terminal calculates the three-dimensional alignment error of the camera based on the three-dimensional coordinate values of the holes obtained from the stereoscopic calibrator rotation image Dimensional calibrated calibrator for three-dimensional alignment error measurement,
A plurality of holes are formed on a three-dimensional plate having a predetermined thickness,
Wherein the stereolithography plate is formed by integrally joining a second circular plate having a second diameter smaller than the first diameter on a first circular plate having a first diameter,
And a plurality of hole bands spaced apart from the center point of the three-dimensional plate by a predetermined distance and spaced apart from the center point by a predetermined number are formed in the three-dimensional plate. Three-dimensional calibrator.
상기 입체판에는 제1 내지 제3 홀 띠가 형성되도록 구성되고,
상기 입체판의 각 층에는 제1 내지 제3 홀 띠 중 적어도 하나 이상의 홀 띠가 형성되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 정렬 오차 측정용 입체형 캘리브레이터.
The method according to claim 1,
Wherein the first to third hole bands are formed on the three-dimensional plate,
And at least one of the first to third hole bands is formed in each layer of the three-dimensional plate.
상기 서로 다른 홀띠의 홀은 입체판의 중심점을 기준으로 일직선 연장선상에 배치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 정렬 오차 측정용 입체형 캘리브레이터.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the holes of the different holes are arranged on straight extension lines with respect to the center point of the three-dimensional plate.
영상처리단말에서 내부에 구비된 카메라를 통해 입체형 캘리브레이터에 대한 3차원 회전영상을 획득하는 제1 단계와,
영상처리단말에서 카메라 위치를 기준으로 하는 3D 좌표계의 원점으로부터 최단거리에 있는 입체형 캘리브레이터가 배치된 회전판 스테이지의 회전축상의 점을 회전축을 기준으로 하는 S 좌표계의 원점으로 설정하는 제2 단계,
영상처리단말에서 3D 좌표계의 원점을 S 좌표계의 X축상에 위치되도록 설정하는 제3 단계,
영상처리단말에서 입체형 캘리브레이터를 기준으로 하는 홀의 좌표를 3D 좌표계 기준으로 변환하는 3D 오차 행렬을 산출하는 제4 단계,
영상처리단말에서 상기 제1 단계에서 획득한 회전영상으로부터 입체형 캘리브레이터의 각 홀 중심에 대하여 X축 및 Z축 좌표값 및 회전각도를 획득하는 제5 단계,
영상처리단말에서 상기 제5 단계로부터 획득한 각 홀에 대한 3D 좌표계 기준의 X축 및 Z축 좌표값과 회전각도 및, 입체형 캘리브레이터 중심점을 기준으로 하는 W좌표계 기준의 홀 좌표값을 근거로 최종 3D 오차 행렬을 산출하는 제6 단계 및,
영상처리단말에서 최종 3D 오차 행렬을 근거로 3D 정렬 오차값을 산출하는 제7 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 입체형 캘리브레이터를 이용한 3차원 정렬 오차 산출방법.
And a stereoscopic calibrator constituted by a plurality of holes formed in the respective layers while having a cross section formed in a multilayer structure. The stereoscopic calibrator includes a stereoscopic calibrator having a 3D A three-dimensional alignment error calculating method using a three-dimensional calibrator for calculating an alignment error,
A first step of acquiring a three-dimensional rotation image of the three-dimensional calibrator through a camera provided in the image processing terminal,
A second step of setting a point on a rotation axis of a rotary plate stage on which a three-dimensional calibrator is located at a shortest distance from an origin of a 3D coordinate system based on a camera position in an image processing terminal as an origin of an S-
A third step of setting the origin of the 3D coordinate system on the X-axis of the S-coordinate system in the image processing terminal,
A fourth step of calculating a 3D error matrix for converting the coordinates of the hole based on the stereoscopic calibrator to the 3D coordinate system in the image processing terminal,
A fifth step of obtaining X-axis and Z-axis coordinate values and a rotation angle with respect to each hole center of the stereoscopic calibrator from the rotation image acquired in the first step at the image processing terminal,
Based on the X-axis and Z-axis coordinate values and rotation angles of the 3D coordinate system for each hole acquired from the fifth step in the image processing terminal and the hole coordinate values based on the W-coordinate system based on the stereoscopic calibrator center point, A sixth step of calculating an error matrix,
And calculating a 3D alignment error value based on the final 3D error matrix at the image processing terminal. [5] The method according to claim 1, wherein the three-dimensional alignment error is calculated using a three-dimensional calibrator.
상기 홀의 좌표값은 홀의 중앙 수직 중심선과 입체판의 상면 수평선이 만나는 특정점 좌표값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 입체형 캘리브레이터를 이용한 3차원 정렬 오차 산출방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the coordinate value of the hole is set to a specific point coordinate value at which the center vertical center line of the hole meets the upper surface horizontal line of the stereolithography plate.
상기 제4 단계에서 3D 오차 행렬은 회전관련 행렬(R)과 이동벡터 성분(t)으로 이루어지고, 하기 수학식과 같이 설정되는 것을 특징으로 하는 입체형 캘리브레이터를 이용한 3차원 정렬 오차 산출방법.
수학식
여기서, R은 회전관련 행렬로, 는 S 좌표계를 기준으로 3D 좌표계에서의 회전 행렬이고, 는 SO 좌표계(회전축 초기상태 좌표계)를 기준으로 W 좌표계에서의 회전 행렬이며, t는 이동벡터 성분으로 는 S 좌표계 원점에서 3D 좌표계의 원점까지의 이동행렬이고, 는 S0 좌표계 원점에서 W좌표계 원점까지의 이동행렬이며, Xw 는 W 좌표계를 기준으로 정의된 홀 좌표값 임.
5. The method of claim 4,
Wherein the 3D error matrix is composed of a rotation-related matrix R and a motion vector component t, and is set according to the following equation: " (3) "
Equation
Here, R denotes a rotation-related matrix, Is a rotation matrix in the 3D coordinate system with respect to the S coordinate system, Is a rotation matrix in the W coordinate system based on the S O coordinate system (initial state coordinate system of the rotation axis), t is a motion vector component Is the movement matrix from the origin of the S-coordinate system to the origin of the 3D coordinate system, Is the movement matrix from the origin of the S 0 coordinate system to the origin of the W coordinate system, and Xw is the hole coordinate value defined based on the W coordinate system.
3D 좌표계의 임의 점에 대한 벡터성분이 (X,Y,Z,1)이고, W 좌표계의 임의 점에 대한 벡터성분이 (x,y,z,1)이라 할 때, 상기 3D 오차 행렬은 하기의 수학식과 같은 행렬 형태로 변환되고,
3D 좌표계에서의 좌표값[X,Y,Z,1}은 하기 수학식과 같이 변환되며,
상기 제7 단계에서 상기 영상처리단말은 각 홀에 대해 하기의 수학식 결과값이 최소가 될때의 변수값을 산출하는 것을 특징으로 하는 입체형 캘리브레이터를 이용한 3차원 정렬 오차 산출방법.
여기서, i 는 홀의 수에 대응되는 수로 설정되고, 상기 γ11,γ12, ...γ33 은 3×3 형태의 행렬로 표현되는 회전 관련 행렬에 대응되는 성분값이며, t1,t2,t3 는 3×1 형태의 벡터로 표현되는 이동벡터 관련 벡터에 대응되는 성분값임.
The method according to claim 6,
If the vector component for any point in the 3D coordinate system is (X, Y, Z, 1) and the vector component for any point in the W coordinate system is (x, y, z, 1) Is transformed into a matrix form such as a mathematical expression of < RTI ID = 0.0 &
The coordinate values [X, Y, Z, 1} in the 3D coordinate system are transformed as shown in the following equation,
Wherein in the seventh step, the image processing terminal calculates a variable value when a result of the following equation is minimized for each hole.
Here, i is set to a number corresponding to the number of holes, and 粒 11, 粒 12, ..., 粒 33 are component values corresponding to a rotation-related matrix expressed by a 3x3 matrix, and t1, t2, A component value corresponding to a motion vector-related vector represented by a vector of one form.
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JP2002354506A (en) | 2001-05-25 | 2002-12-06 | Minolta Co Ltd | Stereoscopic chart for correcting camera, acquisition method of correction parameter for camera, correcting information processing device for camera, and program thereof |
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2016
- 2016-04-28 KR KR1020160052255A patent/KR101801168B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2002354506A (en) | 2001-05-25 | 2002-12-06 | Minolta Co Ltd | Stereoscopic chart for correcting camera, acquisition method of correction parameter for camera, correcting information processing device for camera, and program thereof |
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KR20170123390A (en) | 2017-11-08 |
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